質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化仍在加速,同時其作為燃料電池核心材料的重要性也在不斷凸顯。
1月上旬,五部委啟動河南、河北新一批燃料電池汽車示范應(yīng)用工作,山東淄博成為唯一一個橫跨五大示范城市群的參與城市,東岳未來氫能材料有限公司(下稱“東岳未來氫能”)也成為唯一一家同時進入五大示范城市群的企業(yè),可見質(zhì)子交換膜在燃料電池國產(chǎn)化過程中的地位。
除了東岳未來氫能,近期國電投氫能、中科院上海有機所、泛亞微透等多家企業(yè)都在質(zhì)子交換膜上發(fā)力。其中,國電投氫能子公司30萬m²質(zhì)子交換膜產(chǎn)線投產(chǎn);泛亞微透聯(lián)合21家機構(gòu)及個人設(shè)立合資公司投資建設(shè) ePTFE 功能膜項目;中科院上海有機所與氫通新能源達成戰(zhàn)略合作,發(fā)力高溫質(zhì)子交換膜材料。國產(chǎn)質(zhì)子交換膜正在加速崛起。
質(zhì)子交換膜的重要性
膜電極組件是氫燃料電池最為核心的組成部分,而由質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴散層三者構(gòu)成的膜電極組件則相當于燃料電池的心臟。質(zhì)子交換膜、催化層和氣體擴散層這三大核心材料,決定著氫燃料電池的壽命和性能,在很大程度上,也是支撐著整座“大廈”的地基。
在組成膜電極的三大材料中,質(zhì)子交換膜的主要功能是傳輸質(zhì)子,分隔反應(yīng)氣體以及電子絕緣。它負責“把門”,把質(zhì)子放過去,把電子、氫分子和水分子攔下來,是不可或缺的關(guān)鍵材料,相當于燃料電池的“芯片”,其性能直接影響燃料電池的穩(wěn)定性和耐久性。
由于氫燃料電池的這一工作原理,使得質(zhì)子交換膜必須具備以下幾個特性:電導(dǎo)率高(高選擇離子導(dǎo)電而非電子導(dǎo)電)、化學(xué)穩(wěn)定好(耐酸堿和抗氧化還原能力)、熱穩(wěn)定性好、良好的機械性能(強度和柔韌性)、透氣率低和水的電滲透系數(shù)小。
以上這些特性也決定了質(zhì)子交換膜制造工藝的復(fù)雜性。
從膜的結(jié)構(gòu)來看,PEM大致可分為三大類:磺化聚合物膜,復(fù)合膜,無機酸摻雜膜。目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物電解質(zhì),按照聚合物的含氟量可分為全氟磺酸質(zhì)子交換膜、部分氟化質(zhì)子交換膜以及非氟質(zhì)子交換膜等。
現(xiàn)階段,只有全氟磺酸質(zhì)子交換膜成熟應(yīng)用于車用燃料電池領(lǐng)域,而東岳未來氫能背靠東岳集團可以實現(xiàn)質(zhì)子交換膜核心材料——全氟磺酸樹脂的自主化供應(yīng),這也是其能在一眾國產(chǎn)質(zhì)子交換膜企業(yè)中突圍而出,成功躋身5大示范城市群的主要原因之一。
國產(chǎn)品牌崛起
質(zhì)子交換膜的重要性不言而喻,但是要做好車用燃料電池的質(zhì)子交換膜并不簡單。
“目前車用質(zhì)子交換膜逐漸趨于薄型化,由最開始的幾十微米降低到如今幾微米,這樣能降低質(zhì)子傳遞的歐姆極化,以達到較高的性能。”國內(nèi)一家膜電極企業(yè)的高層認為,質(zhì)子交換膜薄型化有利于減少燃料電池的體積,提升功率密度和性能。
與此同時,薄型化膜的使用給耐久性帶來了挑戰(zhàn),尤其是均質(zhì)膜在長時間運行會出現(xiàn)機械損傷與化學(xué)降解。在車輛工況下,操作壓力、干濕度、溫度等操作條件的動態(tài)變化會加劇這種衰減,膜越輕薄,難度系數(shù)也就越高。
此外,質(zhì)子交換膜的難點還在于工藝周期長、工藝復(fù)雜、成膜的成本高。
現(xiàn)階段世界上最大的質(zhì)子交換膜供應(yīng)商戈爾量產(chǎn)的產(chǎn)品能做到8微米及以下,國產(chǎn)品牌距離進口尚存一定的差距??上驳氖牵S著更多的國產(chǎn)質(zhì)子交換膜企業(yè)的加入,這種差距正在不斷縮小。
在過去的一年里,國內(nèi)除了東岳未來氫能有較大批量的交付商用,并試圖往更薄型化的方向進階,科潤新材料、浙江漢丞等企業(yè)也實現(xiàn)了小批量的供貨,浙江漢丞已經(jīng)開發(fā)出10-12微米的質(zhì)子交換膜產(chǎn)品。
另一方面,國產(chǎn)質(zhì)子交換膜的產(chǎn)能也在不斷擴建中,東岳未來氫能150萬m²質(zhì)子交換膜生產(chǎn)基地一期工程在去年就已經(jīng)投產(chǎn)開建;浙江漢丞已經(jīng)建成了年產(chǎn)30萬m²的質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線,未來還將擴建至100萬m²;國電投氫能旗下的武漢綠動年產(chǎn)30萬m²的質(zhì)子交換膜生產(chǎn)線在2021年12月初建成投產(chǎn)。
整體上看,質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化正在穩(wěn)步向前推進,價格是最大優(yōu)勢,國產(chǎn)價格比進口產(chǎn)品要低30%-50%。隨著穩(wěn)定性和可靠性提升,在未來氫城示范的時間窗口,國產(chǎn)質(zhì)子交換膜將會逐漸成為主流。
原標題:國產(chǎn)質(zhì)子交換膜邁步崛起